敖 奇

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

以太網(wǎng)接口已越來越廣泛地應(yīng)用于鐵路通信信號設(shè)備中。隨著通信速率的提高，集成芯片對靜電放電（ESD）、電纜放電（CDE）事件、浪涌等干擾變得敏感易損壞，如不加以防護，設(shè)備的可靠性將受到影響。因此應(yīng)對各種干擾的形成原因及其特點進行分析，并通過對保護器件的對比選擇，以設(shè)計出合理的以太網(wǎng)接口保護電路，提高設(shè)備的可靠性。

2 干擾形式

2.1 ESD干擾

ESD即靜電放電。根據(jù)ESD來源的不同，其模型可分為人體模型（HBM）、被充電器件模型（CDM）和機器模型（MM）。對于以太網(wǎng)接口而言，ESD主要發(fā)生在操作人員接觸以太網(wǎng)接口時。人體已積累的靜電電荷會通過以太網(wǎng)接口進行泄放，從而發(fā)生ESD事件。因此以太網(wǎng)接口的ESD防護是以防人體靜電為主。

IEC61000-4-2采用的ESD人體模型為150?pF電容上積累的電荷通過330?Ω串聯(lián)電阻向外泄放。該模型放電時的電流脈沖波形如圖1所示。可以看出該波形在700?ps到1?ns內(nèi)便達到峰值，并且整個波形僅持續(xù)60?ns，因此，其能量較小但高頻威脅較大。IEC61000-4-2中關(guān)于ESD試驗等級的劃分如表1所示，其中試驗等級4僅在極其干燥的環(huán)境下考慮。表1中試驗電壓包括正負兩種電壓，一般而言，在相同試驗等級下，接觸放電對以太網(wǎng)接口的危害更大。

表1 IEC61000-4-2 ESD試驗等級

2.2 CDE干擾

CDE現(xiàn)象在以太網(wǎng)環(huán)境中普遍存在。網(wǎng)線相當于是可以存儲電荷的容性元件，并且其電容值會隨著網(wǎng)線長度的變長而增加。在發(fā)生摩擦效應(yīng)（如在管道中拖拉網(wǎng)線）或電磁感應(yīng)效應(yīng)（如被鄰近牽引電纜干擾）時，兩端懸空的以太網(wǎng)線（尤其是非屏蔽以太網(wǎng)線）會被充電。由于5類、6類網(wǎng)線具有低漏電流的特點，因此電荷可在網(wǎng)線上存儲數(shù)個小時到數(shù)十個小時。當一個充了電的網(wǎng)線被插入到RJ-45端口時，瞬態(tài)電流會選擇最低阻抗路徑泄放，從而形成CDE事件。

以太網(wǎng)線具有低電阻性高容性的特點，因此CDE波形不同于人體模型的ESD波形。CDE波形一般具有快速上升沿，并伴隨有極性反轉(zhuǎn)的振蕩現(xiàn)象。CDE波形參數(shù)會隨著以太網(wǎng)線的特性（如長度）及環(huán)境（溫度、濕度）的不同而改變。文獻[1]給出的7.6?m長的5類網(wǎng)線CDE波形僅持續(xù)600?ns，而另一文獻[2]中100?m長的5類網(wǎng)線CDE波形則持續(xù)達15?μs。由于網(wǎng)線的容性特性，線纜越長，則振蕩頻率越低，線纜越短，則振蕩頻率越高。

由于CDE形成環(huán)境的復(fù)雜性及缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)，目前還沒有任何一個標準對CDE進行建模描述，電信工業(yè)協(xié)會（TIA）推薦采用IEC61000-4-2標準考慮CDE影響[3]。當網(wǎng)線長度超過60?m時，安裝網(wǎng)線時應(yīng)當額外注意CDE的影響[1]。

2.3 浪涌干擾

以太網(wǎng)接口設(shè)計中考慮的浪涌是以太網(wǎng)線受其周圍高壓電纜的電磁干擾而產(chǎn)生的。由于網(wǎng)線高度平衡的雙絞線制作方法，因此僅需考慮共模干擾即可。

相對于ESD干擾而言，浪涌電壓是一個“慢信號”，其脈沖上升時間在μs量級。在相同幅值下，由于脈沖持續(xù)時間較長，浪涌的能量要比ESD大得多。IEC61000-4-5用組合波來描述浪涌脈沖，即同一發(fā)生器可以產(chǎn)生1.2/50?μs的電壓波（發(fā)生器輸出為開路）和8/20?μs的電流波（發(fā)生器輸出為短路），如圖2、3所示。IEC61000-4-5中規(guī)定的浪涌試驗等級如表2所示，室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境下不需做等級4試驗。表中試驗電壓包括正負兩種電壓。對于以太網(wǎng)這種高度平衡線而言，不需要做線—線試驗（即差模試驗）。

表2 IEC61000-4-5浪涌試驗等級

3 保護器件對比

3.1 氣體放電管

氣體放電管一般采用陶瓷作為封裝外殼，放電管極間充滿電氣特性穩(wěn)定的惰性氣體。當外加電壓增加到超過惰性氣體的絕緣強度時，兩極間的間隙將擊穿放電，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，從而保護后續(xù)電路。導(dǎo)通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平上。

優(yōu)點：具有很強的電流吸收能力，即放電能力強、通流量大。具有很高的絕緣電阻以及很小的寄生電容，漏電流小。

缺點：殘壓高，反應(yīng)時間長，動作電壓精度較低。氣體放電管還有一個缺點是有續(xù)流問題，但由于以太網(wǎng)工作電壓低（小于5?V），因此不會導(dǎo)致氣體放電管發(fā)生續(xù)流。

3.2 壓敏電阻

當施加在壓敏電阻兩端的電壓小于箝位電壓時，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)。當施加在壓敏電阻兩端的電壓大于箝位電壓時，壓敏電阻就會擊穿，呈現(xiàn)低阻值，甚至接近短路狀態(tài)。壓敏電阻這種被擊穿狀態(tài)是可以恢復(fù)的，當高于箝位電壓的電壓被撤銷后，又可恢復(fù)高阻狀態(tài)。

優(yōu)點：箝位電壓范圍寬，反應(yīng)速度快，通流量大，無續(xù)流。

缺點：結(jié)電容較大，許多情況下不在高頻率信息傳輸中使用。該電容又與導(dǎo)線電容構(gòu)成一個低通，會造成信號的嚴重衰減。頻率低于30?kHz時，這種衰減可以忽略。

3.3 TVS管

瞬態(tài)抑制二極管簡稱TVS管，在規(guī)定的反向電壓作用下，TVS管兩端電壓大于箝位電壓時，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流通過，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效保護末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。雙向TVS管可在正反兩個方向吸收瞬時大脈動功率，并把電壓鉗制在預(yù)定水平。

優(yōu)點：動作時間極快，達到ps范圍。箝位電壓低。

缺點：電流負荷量小。根據(jù)工藝的不同，部分TVS管的結(jié)電容相當高。

氣體放電管、壓敏電阻、TVS管的性能特點對比如表3所示。

表3 氣體放電管、壓敏電阻、TVS管性能特點對比

4 以太網(wǎng)接口保護電路設(shè)計

ESD防護對保護電路的響應(yīng)時間要求比較苛刻，保護電路至少應(yīng)在ns量級的時間內(nèi)啟動對后續(xù)電路的保護。

浪涌防護對保護電路的浪涌電流吸收能力要求較高。在試驗等級為3級時，由于試驗設(shè)備的內(nèi)阻為42?Ω，保護電路至少應(yīng)具備吸收48?A浪涌電流的能力。

CDE脈沖具有ESD的快速上升時間，TIA也推薦對其參照IEC61000-4-2進行考慮?？紤]到CDE脈沖可能會持續(xù)時間長、能量大，因此，保護電路對CDE的浪涌電流吸收應(yīng)按照IEC61000-4-5進行設(shè)計。盡管IEC61000-4-5標準不要求對高度平衡線纜進行差模試驗，但考慮到CDE同時具有共模、差模影響，保護電路在差模保護能力上也要達到表2要求。

保護電路必須將干擾電壓限制到10?V以內(nèi)，以免對以太網(wǎng)物理芯片造成損壞。

為了避免對正常的高速通信產(chǎn)生影響，保護電路選用器件的結(jié)電容必須小于10?pF。

通過對保護器件的分析可以看出，沒有哪種單一保護器件可以勝任對以太網(wǎng)接口的防護。氣體放電管的響應(yīng)速度太慢，殘壓太大。壓敏電阻高的結(jié)電容導(dǎo)致其不可能直接并聯(lián)在以太網(wǎng)通信線上使用。TVS管的浪涌電流吸收能力較差，盡管好的TVS管可以達到100?A的浪涌吸收能力，但浪涌保護的裕度太小。

基于上述考慮，本文設(shè)計了圖4所示的兩級防護電路。第一級采用貼片三極氣體放電管，第二級采用低結(jié)電容的雙向TVS管。該電路可對正負極性的共模/差模干擾進行防護。當一個干擾脈沖通過保護電路時，TVS管會先產(chǎn)生動作，將干擾脈沖鉗制在限定電壓范圍內(nèi)。干擾電壓進一步增加后氣體放電管會導(dǎo)通，并吸收干擾脈沖大部分的能量。串聯(lián)電阻應(yīng)選取電阻大于2?Ω、功率大于2?W的電阻。若無此電阻，則氣體放電管無法導(dǎo)通，從而無法達到兩極防護的效果。

該電路同時具備TVS管響應(yīng)速度快、箝位電壓低的特點，并具備氣體放電管良好的浪涌電流吸收能力。

通過試驗驗證，該保護電路可在IEC61000-4-2?等級3、IEC61000-4-5等級3試驗條件下，保護以太網(wǎng)接口不受損壞。

5 總結(jié)

本文通過分析以太網(wǎng)接口可能受到的各種干擾的形成原因及其干擾特點，比較幾種常用的防護器件的特點，繼而設(shè)計了一種以太網(wǎng)接口ESD/浪涌保護電路。該電路可以在IEC61000-4-2等級3、IEC61000-4-5等級3試驗規(guī)定的干擾下，保護后續(xù)電路不受損壞，從而可提高設(shè)備的可靠性。

[1] Cable Discharge Event in the Local Area Network Environment,White Paper, Intel Order Number 249812-001[S].2001.

[2] ESD Association.Cable Discharge Events（Part I）What is a CDE[S].2009.

[3] ESD Association.Cable Discharge Events（Part I）CDEs Place in Testing[S].2009.